尺寸缩小50%!迎5G手机商用,思立微首发新一代CSM光学指纹模组

在全面屏的趋势之下,2017年苹果率先推出了采用“刘海屏”的iPhone X,首次集成了前置的3D人脸识别系统FaceID,用以取代了之前正面的指纹识别。此后不少安卓手机厂商也开始跟进。但是,3D人脸识别成本相对较高,并且正面需要开槽(用刘海屏),用户也需要改变以往的“指纹识别”解锁/支付的习惯来适应,这也在一定程度上抑制了3D人脸识别的推进。

相比需要在正面屏幕开槽的3D人脸识别模组来说,屏下指纹模组凭借隐藏在屏幕之下、且不需要在屏幕上进行挖孔这一优势脱颖而出,使得手机厂商在保证前置指纹体验的同时,进一步提升全面屏的屏占比,兼顾整体设计的实用性与美观性,因此也受到了不少手机厂商的青睐。

在经历了数代技术的迭代之后,目前光学屏下指纹已经得到了市场的普遍认可。光学屏下指纹已经在中高端智能手机上普及,而随着OLED屏价格的快速下滑,以及光学屏下指纹厂商之间的价格竞争,势必推动光学屏下指纹开始加速向中端机型渗透。

根据IHS Markit预计,2019年屏下指纹的出货量预计将增长6倍,达到近1.8亿片。而天风证券的预测则更为乐观,他们预测2019年屏下指纹手机出货量将达到2.8亿部,年增长率高达900-1000%。

面对这样一个大的市场,各家屏下指纹厂商也在不断的推出新的解决方案来进行争夺.不过,此前各家厂商主要比拼的还是解锁速度、准确率、安全性、成本等方面。而现在随着智能手机摄像头(旗舰都开始上三摄、四摄了)数量的不断增加,以及5G的到来,对于智能手机内部的空间也提出了更高的要求。为了应对这一变化,指纹识别厂商在维持产品原本各项性能指标的前提下,通过工艺改良和结构创新,推出了更小尺寸的屏下光学指纹芯片。

8月23日,业界领先的人机交互及生物识别方案供应商思立微宣布,正式推出最新一代的适用于OLED屏下光学指纹识别的CSM (chip-scale module)方案GSL7001F。相比上一代传统COB(chip on board)方案,在模组尺寸(XY方向)极具优势,面积可缩减50%,将可为智能手机内部的电池、摄像头等内部器件提供更多的空间。思立微深耕技术创新路线,相继推出国内首创MCU和传感器集成方案,首创可调焦光学指纹模组方案,以及最先将3P式镜头应用于指纹识别模组。持续引领行业技术进步。

图示:CSM与COB对比图

与COB方案相比,CSM方案有何优势?

现在主流的屏下光学指纹识别方案是COB方案,即裸芯片直接贴装在FPC软板上,电容也是直接放在软板上。从技术上来看,主要存在两个问题:

1、模组XY方向的尺寸比较大。一方面是基于Wire Bonding的技术,软板上的内引脚及金线引线需要一定的空间;二是电容也必须焊接在软板上,也占用了一定的空间;

2、模组厂必须使用COB的组装线体来组装目前屏下光学指纹识别COB模组。而目前COB的组装线体的建设成本较高,同时,由于目前摄像头模组的组装也是需要COB线体来组装,而基于目前智能手机等终端产品对于摄像头数量需求的增长较快,使得COB线体的产能较为紧张。也就是说,目前的COB方案的屏下光学指纹需要跟摄像头去抢产能。

相比之下,思立微所采用的CSM(Chip Scale Module)工艺方案,则很好的解决了这两个问题。

首先,思立微选择采用Flip Chip工艺,把CIS芯片焊接在PCB上,然后用玻璃保护芯片表面,再用锡球把芯片的电路引出来;同步,电容也可以焊接在PCB板上面,使得芯片由原来的2D形式转变为3D,使得XY方向的尺寸大大缩小,形成了一个小尺寸的芯片封装体。

▲芯片封装体

▲芯片封装体

其次,基于这个小尺寸芯片封装体,模组厂可以直接采用传统的SMT工艺将其焊接在FPC软板上,然后在芯片封装体上面直接装Holder+Lens,使得整个模组在XY方向的尺寸大大缩小。

从上面的介绍我们不难看出,思立微的CSM工艺方案集成度更高,可以让FPC软板的元器件区域空间减小。思立微表示,若进一步结合Flash技术,可以完美达成0外围器件的指纹芯片模组方案。据介绍,思立微CSM工艺方案,相比较于COB方案,屏下光学指纹的模组在XY方向能有50%的空间缩减(包括金线引线-引脚,及电容的空间)。而节省下来的空间将可为手机内部的电池容量的增加、摄像头数量的增加、5G手机天线数量以及内部器件的增加提供更多的空间。可以说,CSM方案的屏下光学指纹非常适合于5G手机对于内部空间的需求。

图示:CSM实物对比图

特别需要指出的是,基于CSM工艺方案实现的屏下光学指纹芯片模组尺寸的缩小,并没有牺牲芯片die的尺寸,也就是说这是在保持原有屏下光学指纹的识别区域大小、性能和功能不变的情况下实现的。

另外,在模组生产过程中,直接采用产能极为丰富的传统的SMT工艺即可,无需采用COB工艺,这也意味着无需去和摄像头模组抢COB的产能,生产上更具效率,这也在很大程度上保障了屏下光学指纹芯片模组的产能供应。

思立微Steven告诉芯智讯:“不管模组厂的大小,基本都有SMT产线,有Reflow-回流焊机器,SMT工艺也更成熟。而COB方案需要Die Bond/Wire Bond机器及相应的净化级别的车间,比如前道芯片封装,一般要求千级净化车间及以上,这也意味着产线的成本投入更高。在屏下指纹及摄像头模组需求短期猛增,对于COB产能提出更高要求的趋势之下,对于模组厂来说,是否继续扩建成本更高的COB产线将是一个问题。因为一旦扩建,如果未来摄像头和屏下指纹需求下滑,产线利用率大幅降低,无疑将会造成损失。如果采用SMT产线就能够生产屏下光学指纹模组,那么无疑将帮助模组厂腾出更多的现有COB产能去满足摄像头模组的需求,可能也就无需去扩建COB产线。”

那么,在成本方面,CSM方案相比COB方案优势又如何呢?Steven表示:“就工艺本身来看,CSM并不会比COB贵,而且考虑到设备的投入、生产效率、良率、品质等方面的因素,CSM方案屏下光学指纹模组的成本会更具优势。”

CSM方案的难点在哪?

从前面的介绍来看,似乎CSM方案只是一个工艺上的变化,并没有多高的实现难度,那么竞争对手是否能够轻松跟进呢?

对此,Steven给出了否定的答案。他表示,Flip Chip和SMT确实都是上游的成熟工艺,但是在芯片模组结构设计上思立微却做了很多的创新,并且解决了很多的技术上的难点。

首先,因为光学芯片必须裸露——接触光线,所以不能用环氧树脂进行覆盖,并且CSM模组需要用SMT工艺来生产,而SMT当中的回流焊这一过程中,温度变化急剧,从室温(25摄氏度)到260度的峰值温度,需要在短短的十几分钟,甚至几分钟完成(各个模组厂的工艺有所差别),如果在一个密封空间里,很容易有“爆米花”的现象;但是如果不封住,留有空隙,水汽或者灰尘又很容易进去,影响产品的可靠性或者性能。

所以在研发时,思立微基于使用玻璃和PCB板,用胶封住,做了很多的仿真和实验,在初期,使用弯曲管道来管控,效果不好。后面又采用抽真空的方式来进行,产品经过多次验证后才有了良好的效果。

其次,在做Flip Chip时,也会遇到了很多问题,比如Bump焊盘的布局,在最初时,没有充分的验证,结果会有“倾斜”的风险,后续经过反复的仿真、验证,才解决了这个问题。

Steven表示,“在CSM方案上,思立微已经有了多项专利的布局。即使竞争对手现在来研发,并且绕过我们的专利,至少也需要一年到一年半的时间”。

编辑:芯智讯-浪客剑

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